Hyperon ($\Lambda$) polarization along the beam axis in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$ TeV

Resumen Técnico: Polarización de Hiperones ($\Lambda$) a lo largo del Eje del Haz en Colisiones Pb–Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV

Problema y Motivación
En colisiones de iones pesados relativistas, la formación de un plasma de quarks y gluones (QGP) que exhibe un comportamiento colectivo de tipo fluido está caracterizada por campos de velocidad y vorticidad no triviales. La polarización global de los hiperones $\Lambda$ ha sido establecida como evidencia de este fluido vortical, mientras que los campos de vorticidad local derivados del flujo anisotrópico predicen una generación de polarización longitudinal (a lo largo del eje del haz) con modulaciones azimutales específicas. Mediciones previas de las colaboraciones STAR y ALICE revelaron una polarización longitudinal no nula con un componente de modulación de seno positivo, un resultado cualitativamente opuesto a los modelos tempranos basados en termovorticidad, pero consistente con desarrollos recientes que incorporan efectos de cizalladura. Sin embargo, la sensibilidad de la polarización longitudinal a las propiedades de transporte del QGP, particularmente la viscosidad volumétrica (bulk viscosity), se espera sea más pronunciada a las energías del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que a las del Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC). Además, el acoplamiento de la vorticidad con los armónicos de flujo de orden superior sigue siendo un área de investigación abierta, ofreciendo posibles restricciones sobre la evolución espacio-temporal del medio.

Metodología
Este análisis utiliza un conjunto de datos de aproximadamente 5 mil millones de eventos de colisiones Pb–Pb recolectados por el detector ALICE durante el periodo de toma de datos Run 3 de 2023 a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de $L_{int} \simeq 3.2$ nb$^{-1}$. El análisis se centra en la reconstrucción de los hiperones $\Lambda$ y $\bar{\Lambda}$ a través de sus canales de decaimiento débil ($\Lambda \to p\pi^-$ y $\bar{\Lambda} \to \bar{p}\pi^+$).

Los componentes experimentales clave incluyen:

• Detectores: El Disparador de Interacción Rápida (FIT), específicamente el detector FT0 para la determinación de la centralidad y del plano del evento; el Sistema de Seguimiento Interno (ITS) para la reconstrucción del vértice; y la Cámara de Proyección Temporal (TPC) para la reconstrucción de trazas e identificación de partículas mediante la pérdida de energía específica ($dE/dx$).
• Criterios de Selección: Los candidatos a hiperones se seleccionan basándose en variables topológicas (radio de decaimiento transversal, distancia de máxima aproximación, ángulo de apuntamiento) y cortes cinemáticos ($p_T > 0.5$ GeV/c para protones, $p_T > 0.2$ GeV/c para piones, $|y| < 0.5$).
• Extracción de la Polarización: La polarización a lo largo de la dirección del haz ($P_z$) se accede a través de la correlación angular que viola la paridad entre el espín del hiperón y el momento del protón en el sistema de referencia del hiperón. El análisis mide la polarización longitudinal relativa a los planos del evento de segundo y tercer orden ($\Psi_2$ y $\Psi_3$).
• Técnica de Análisis: La señal se extrae utilizando un análisis de masa invariante combinado con un ajuste simultáneo a la distribución de polarización. La polarización se corrige por la aceptación del detector y el parámetro de decaimiento $\alpha_H$. La resolución del plano del evento se evalúa mediante un método de tres sub-eventos para mitigar las decorrelaciones longitudinales.

Contribuciones Clave

1. Primera Observación en el LHC: Este trabajo presenta la primera observación de la polarización de hiperones a lo largo de la dirección del haz medida relativa al plano del evento de tercer orden en el LHC.
2. Medición de Alta Precisión: El estudio proporciona mediciones de la polarización longitudinal relativa al plano del evento de segundo orden con una precisión estadística mejorada respecto a resultados previos a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV, gracias a la mayor muestra de datos de Run 3.
3. Restricciones de Viscosidad: El análisis compara explícitamente los datos experimentales con cálculos hidrodinámicos para restringir las viscosidades de cizalladura (shear) y volumétrica (bulk) del QGP. Destaca el papel crítico de la viscosidad volumétrica para reproducir el signo y la magnitud de la polarización observada a las energías del LHC.

Resultos

• Modulación Azimutal: La polarización medida exhibe claras modulaciones de seno azimutal respecto a los planos del evento de segundo y tercer orden.
• Magnitud y Tendencias:
  • Se encuentra que la magnitud de las polarizaciones de segundo y tercer orden son comparables, contrastando con el ordenamiento típico observado para los coeficientes de flujo.
  • La polarización longitudinal de segundo orden aumenta monótonamente con la centralidad (hacia colisiones periféricas) y muestra una dependencia débil y leve con el momento transversal ($p_T$), con una tendencia hacia la saturación en $p_T$ intermedio.
  • Los resultados a 5.36 TeV son consistentes con mediciones previas a 5.02 TeV dentro de dos desviaciones estándar, aunque con incertidumbres estadísticas reducidas.
• Comparación con Modelos:
  • Los cálculos hidrodinámicos que incluyen viscosidad volumétrica (implementada mediante parametrizaciones fenomenológicas dependientes de la temperatura que alcanzan su máximo cerca de la temperatura crítica) reproducen con éxito el signo y la tendencia de los datos experimentales.
  • Los cálculos sin viscosidad volumétrica producen una polarización longitudinal con el signo opuesto a los datos experimentales.
  • Los cálculos hidrodinámicos viscosos actuales tienden a sobreestimar el incremento de la señal en alto $p_T$, indicando que la dependencia de $p_T$ no es totalmente reproducida por los modelos existentes.

Significancia
El artículo afirma que la medición de la polarización longitudinal, particularmente relativa al plano del evento de tercer orden, proporciona un control independiente y complementario sobre la estructura vortical del QGP. Los resultados demuestran que la polarización longitudinal es sensible no solo a la estructura vortical, sino también a las propiedades de transporte del medio, específicamente a la viscosidad volumétrica. La inclusión de la viscosidad volumétrica se identifica como esencial para explicar el signo de la polarización a las energías del LHC, subrayando el papel de los efectos disipativos en el desarrollo de la polarización de espín local. Al sondar tanto la geometría elíptica promedio (segundo orden) como las estructuras impulsadas por fluctuaciones (tercer orden), estas mediciones ofrecen nuevas restricciones sobre la evolución espacio-temporal y los coeficientes de transporte del plasma de quarks y gluones, distinguiendo entre diferentes descripciones dinámicas del mecanismo de polarización de espín.